- Allmän ekvation av massbalans
- Förenkling
- Exempel på användning: fisk i floden
- typer
- Differensbalans
- Omfattande balans
- Exempelövning
- referenser
Materialbalansen är räkningen av de komponenter som hör till ett system eller process som studeras. Denna balans kan tillämpas på nästan alla typer av system, eftersom det antas att summan av massorna av sådana element måste vara konstant vid olika mätningstider.
Komponenten kan förstås som kulor, bakterier, djur, stockar, ingredienser för en kaka; och i fallet med kemi, molekyler eller joner, eller mer specifikt, föreningar eller substanser. Så den totala massan av molekylerna som kommer in i ett system, med eller utan kemisk reaktion, måste förbli konstant; så länge det inte finns några läckageförluster.
Stenhög: ett bokstavligt exempel på balanserad materia. Källa: Pxhere.
I praktiken finns det otaliga problem som kan påverka materiens balans, förutom att ta hänsyn till olika materiella fenomen och effekten av många variabler (temperatur, tryck, flöde, omrörning, reaktorns storlek etc.).
På papper måste emellertid massbalansberäkningarna matcha; det vill säga massan av de kemiska föreningarna får inte försvinna när som helst. Att ta denna balans är analogt med att balansera en hög med stenar. Om en av massorna blir på sin plats, faller allt isär; i det här fallet skulle det innebära att beräkningarna är felaktiga.
Allmän ekvation av massbalans
I alla system eller processer måste det först definieras vad dess gränser är. Från dem kommer det att vara känt vilka föreningar som kommer in eller lämnar. Detta är särskilt bekvämt om det finns flera processenheter att tänka på. När alla enheter eller delsystem beaktas talar vi om en allmän massbalans.
Denna balans har en ekvation som kan tillämpas på alla system som följer lagen om bevarande av massa. Ekvationen är som följer:
E + G - S - C = A
Där E är mängden materia som kommer in i systemet; G är vad som genereras om en kemisk reaktion inträffar i processen (som i en reaktor); S är det som kommer ut ur systemet; C är vad som konsumeras igen om det finns en reaktion; och slutligen är A det som ackumuleras .
Förenkling
Om det inte finns någon kemisk reaktion i systemet eller processen som studeras är G och C värda noll. Således ser ekvationen ut:
E - S = A
Om systemet också betraktas i ett stabilt tillstånd, utan märkbara förändringar i komponenternas variabler eller flöden, sägs det att inget samlas in i det. Därför är A värt noll, och ekvationen slutar förenkla ytterligare:
E = S
Med andra ord är mängden materia som kommer in lika med den som lämnar. Ingenting kan gå förlorat eller försvinna.
Å andra sidan, om det finns en kemisk reaktion, men systemet är i ett stabilt tillstånd, kommer G och C att ha värden och A kommer att förbli noll:
E + G - S - C = 0
E + G = S + C
Det innebär att massan av reagensen som kommer in i och i de produkter som de genererar i en reaktor är lika med massan för de produkter och reagens som lämnar och de reagenser som konsumeras.
Exempel på användning: fisk i floden
Anta att du studerar antalet fiskar i en flod vars banker kommer att representera gränsen för systemet. Det är känt att i genomsnitt 568 fisk kommer in per år, 424 är födda (genererar), 353 dör (konsumerar) och 236 vandrar eller lämnar.
Tillämpa den allmänna ekvationen vi har då:
568 + 424 - 353 - 236 = 403
Det betyder att 403 fiskar samlas i floden per år. det vill säga att floden blir rikare med fisk per år. Om A hade ett negativt värde, skulle det innebära att antalet fiskar minskar, kanske på grund av negativa miljöpåverkan.
typer
Från den allmänna ekvationen kan man tro att det finns fyra ekvationer för olika typer av kemiska processer. Massbalansen är dock uppdelad i två typer enligt ett annat kriterium: tid.
Differensbalans
I den differentiella materialbalansen har vi kvantiteten av komponenterna i ett system vid en viss tid eller tidpunkt. Nämnda massmängder uttrycks i tidsenheter och representerar därför hastigheter; till exempel Kg / h, som anger hur många kilometer som går in, lämnar, ackumuleras, genererar eller konsumerar på en timme.
För att det ska finnas massflöden (eller volymetrisk, med densiteten till hands), måste systemet i allmänhet vara öppet.
Omfattande balans
När systemet är stängt, som händer med reaktionerna som utförs i intermittenta reaktorer (batchtyp), är massorna på dess komponenter vanligtvis mer intressanta före och efter processen; det vill säga mellan de första och sista tiderna t.
Därför uttrycks mängder som bara massor och inte hastigheter. Denna typ av balans skapas mentalt när du använder en mixer: massan på ingredienserna som kommer in måste vara lika med den som är kvar efter att motoren stängts av.
Exempelövning
Det är önskvärt att späda ut ett flöde av en 25% metanollösning i vatten, med en annan med en 10% koncentration, mer utspädd, på ett sådant sätt att 100 kg / h av en 17% metanollösning genereras. Hur mycket av både 25% och 10% metanollösningar måste komma in i systemet per timme för att uppnå detta? Antag att systemet är i stabilt tillstånd
Följande diagram visar påståendet:
Flödesschema för massbalansen för utspädning av metanollösningen. Källa: Gabriel Bolívar.
Det finns ingen kemisk reaktion, så mängden metanol som kommer in måste vara lika med mängden som lämnar:
E metanol = S metanol
0,25 n 1 · + 0,10 n 2 · = 0,17 n 3 ·
Endast värdet på n 3 · är känt . Resten är okända. För att lösa denna ekvation av två okända behövs en annan balans: vatten. Att göra samma balans för vatten har vi:
0,75 n 1 · + 0,90 n 2 · = 0,83 n 3 ·
Värdet på n 1 · löses för vatten (det kan också vara n 2 · ):
n 1 · = (83 kg / h - 0.90n 2 · ) / (0,75)
Genom att ersätta n 1 · i massbalansekvationen för metanol och lösa för n 2 · har vi:
0,25 + 0,10 n 2 · = 0,17 (100 kg / h)
n 2 · = 53,33 kg / h
Och för n 1 · subtrahera helt enkelt:
n 1 · = (100- 53,33) kg / h
= 46,67 kg / h
Därför måste 46,67 kg 25% metanollösning och 53,33 kg 10% lösning in i systemet per timme.
referenser
- Felder och Rousseau. (2000). Grundläggande principer för kemiska processer. (Andra upplagan.). Addison Wesley.
- Fernández Germán. (20 oktober 2012). Definition av massbalans. Återställd från: industriaquimica.net
- Materialbalanser: industriella processer I. Återställd från: 3.fi.mdp.edu.ar
- UNT Regional College La Plata. (Sf). Materialbalans. . Återställd från: frlp.utn.edu.ar
- Gómez Claudia S. Quintero. (Sf). Materialbalanser. . Återställs från: webdelprofesor.ula.ve